4.7 Simulação do comportamento hidráulico e estabilidade das seções do barramento 115
4.7.2 Rebaixamento rápido e gradual do reservatório
A simulação do comportamento hidráulico a partir do regime normal de operação para o rebaixamento rápido e gradual do reservatório até o nível morto, foi simulada para uma eventual situação de retirada da água do reservatório, durante o período de irrigação.
A simulação do fluxo transiente do reservatório, atendeu as configurações do pacote de dados SEEE/W do GeoStudio (2020), licença plena, simulação de projeto realizada em uma análise parente.
O rebaixamento gradual para 30 dias, foi configurado em 10 etapas, com incremento inicial de 0,25 dias, onde em cada incremento para o crescimento exponencial, o resultado dos incrementos das etapas de 1 a 10, foi multiplicado separadamente por 1,50, resultando um valor para cada etapa. Para fechar o valor decorrido dos dias (d) durante o rebaixamento, o software realizou uma soma acumulada da resolução dos incrementos (d), resultando na sequência de
h)
o
dias decorridos entre 0,25 e 30 dias, simulando os cálculos para cada dia do incremento (d). O GeoStudio arredondou os valores para os decorridos dias, para simular o fluxo transiente do rebaixamento rápido do reservatório.
A Figura 72, mostra a caixa de configuração utilizada para simular o comportamento hidráulico durante o rebaixamento gradual do reservatório, atendendo uma formatação para um período de 30 dias, até chegar na cota 1 m d’água (nível morto):
Figura 72 – Configuração do projeto para análise do comportamento hidráulico da análise do fluxo transiente.
Fonte: GeoStudio (2020), adaptado pelo autor.
Após simular o rebaixamento gradual do reservatório, as condições de contorno à montante em análise de fluxo transiente são do tipo carga total de água (m), porém não constante e sim em função da curva de rebaixamento inserida no software. Esta curva segue a condição de que o reservatório está na cota 8,70 m no início da análise até o final da análise para o tempo de 30 dias na cota 1 m. A duração do rebaixamento foi estimada sob a condição de água armazenada para irrigar 42 hectares, prevendo-se que o esvaziamento ocorrerá no tempo estimado de 30 dias.
Estimar um tempo específico, dependeria do volume do reservatório, sucção de bombeamento em m³ diários, reposição do volume drenado e capacidade de drenagem do vertedouro entre outros fatores climáticos. A curva de rebaixamento gradual é apresentada na Figura 73.
Figura 73 – Curva de rebaixamento gradual do reservatório.
Fonte: GeoStudio (2020).
O comportamento hidráulico das linhas de fluxo durante o período do rebaixamento gradual do reservatório, foi computado no GeoStudio para melhor entendimento deste item, onde as linhas de fluxo encontram-se alocadas no interior do maciço da barragem, entre 0-30 dias. A Figura 74, mostra a discretização temporal específica do fluxo transiente durante o esvaziamento da barragem até o (N.M) na cota 1 m, a partir do fluxo permanente em regime normal de operação na cota 8,70 m:
Figura 74 – Discretização temporal do comportamento hidráulico durante o rebaixamento do reservatório.
Fonte: GeoStudio (2020).
Curva de rebaixamento gradual
Curva de rebaixamento gradual
Carga Total de Água (m)
Tempo (d) 5
6 7 8 9
0 10 20 30
A Figura 74 da discretização temporal do comportamento hidráulico, mostra uma mudança acentuada entre a linha de fluxo em regime normal de operação e a linha de fluxo após o rebaixamento para 0,25 dias, situação pela qual irá representar o rebaixamento rápido e crítico do reservatório. Os demais comportamentos das linhas de fluxo, caracterizam um comportamento de rebaixamento gradual do reservatório, ou seja, uma situação a favorecer a estabilidade da barragem.
A metodologia utilizada e os métodos para avaliar a estabilidade do talude durante o rebaixamento rápido e gradual do reservatório, foram os mesmos para o regime normal de operação. Priorizou-se verificar a estabilidade do talude apenas no lado da montante, uma vez que o rebaixamento rápido e gradual do reservatório, é condicionado pela dissipação das poropressões, devido mudanças da carga hidráulica durante os dias do rebaixamento do nível do reservatório.
Os resultados dos fatores de segurança sob a condição de rebaixamento rápido e gradual de operação do reservatório entre 0-30 dias, são mostrados através do Gráfico 7 e Quadro 25, sob a condição do acréscimo de carga sísmica e sem abalo sísmico do talude de montante. A Figura 82 e Figura 83, apresentam as simulações realizadas para obter-se o fator de segurança em condições de rebaixamento crítico em 0,25 dias e rebaixamento gradual entre 0,625-30 dias:
Gráfico 7 – Fator se segurança obtido pelo método de Bishop e Morgenstern-Price durante o rebaixamento do reservatório entre 0-30 dias.
Fonte: Elaboração própria.
O Gráfico 7, mostra o resultado dos fatores de segurança obtidos no talude de montante da barragem, durante o rebaixamento rápido e gradual entre 0,25 dias e 0,625-30 dias. Observa-se que em 0,25 dias de rebaixamento crítico do reObserva-servatório, Bishop e Morgenstern-Price sob a condição de abalo sísmico simularam valores de fator de segurança semelhante com 1,11 e 1,17.
O mesmo acorreu para a simulação sem acréscimo de carga sísmica, obtendo-se 1,38 e 1,43.
Observa-se que a partir de 0,625 dias de rebaixamento até 3,3 dias, em ambas as simulações os fatores de segurança aumentam gradativamente, conforme o observado no Gráfico 7. A partir de 5,3 dias de rebaixo do reservatório até 30 dias, quando atingiu o (nível morto na cota 1 m de nível d/água), o método de Bishop e Morgenstern-Price resultaram em fatores de segurança de 1,59 com acréscimo de abalo sísmico. Já sob as condições normais de carregamento, um fator de segurança de 2,03. Os maiores fatores de segurança obtidos foram na condição de regime normal de operação na cota 8,70 m, sem abalo sísmico com 2,19 sob condições normais de forças horizontais e verticais do maciço da barragem.
Conforme os resultados analisados no Gráfico 7, em ambas as simulações os fatores de segurança obtido durante o rebaixamento crítico e gradual do reservatório, estão acima do fator de segurança mínimo permitido. Conclui-se que no caso da necessidade de um esvaziamento rápido do reservatório, o mesmo pode ser condicionado para um número menor de dias, sem comprometer a estabilidade do barramento.
Quadro 25 – Resultado obtidos dos fatores de segurança obtidos durante o rebaixamento rápido e gradual do reservatório.
Bishop Morgentern-Price
com carga sísmica
0,25 dias - 1,11 0,25 dias - 1,17 30 dias - 1,58 30 dias - 1,58
sem carga sísmica
0,25 dias - 1,38 0,25 dias - 1,43 30 dias - 2,03 31 dias - 2,03
Fonte: Elaboração própria.
A seguir, a Figura 75 e 76, apresenta as simulações realizadas nos taludes da barragem com o software GeoStudio (2020), nas condições de rebaixamento rápido e gradual do reservatório, através do método de Bishop e Morgenstern-Price.
Figura 75 – Bishop 0,25 dias com abalo sísmico (a), Bishop com abalo sísmico 30 dias (b), Morgenstern-Price com abalo sísmico 0,25 dias (c) e Morgenstern-Price com abalo sísmico 30 dias (d).
Fonte: GeoStudio (2020), adaptado pelo autor.
a) o
b)
o
Fonte: GeoStudio (2020), adaptado pelo autor.
c) o
d)
o
Figura 76 – Bishop 0,25 dias sem abalo sísmico (a), Bishop sem abalo sísmico 30 dias (b), Morgenstern-Price sem abalo sísmico 0,25 dias (c) e Morgenstern-Price sem abalo sísmico 30 dias (d).
Fonte: GeoStudio (2020), adaptado pelo autor.
a) o
b)
o
Fonte: GeoStudio (2020), adaptado pelo autor.
c) o
d)
o
Perante análise da Figura 74 da discretização temporal do comportamento hidráulico, observasse-se uma queda brusca da linha de fluxo em regime normal de operação até o nível morto na cota 1 m de nível d/água em 0,25 dias de rebaixamento.
É observado que nos espaldares durante o rebaixamento do reservatório entre o nível normal e 0,25 dias, a água destas regiões é drenada rapidamente devido à alta permeabilidade dos materiais de pedregulho, situação pela qual a linha de fluxo na montante, permanece confinada através do núcleo em direção a cota 1 m (N.M) e pé da jusante do talude. Conforme observado na Figura 74, a partir de 0,625 de rebaixamento, as linhas de fluxo mostram um comportamento decrescente gradativo, à medida que a estanqueidade da água do interior do maciço, começa a se estabilizar devido ao peso da água no lado da montante na cota 1 m.
Conforme o comportamento hidráulico decresce gradativamente durante o tempo 0,625-30 dias, a queda da poropressão acompanhar o fluxo de rebaixamento da barragem, proporcionando o aumento da estabilidade da barragem ocorrido pela força-peso da água do reservatório e peso do núcleo sob a condição de saturação através da água no seu interior.
Perante observado na Figura 74 e no Gráfico 7, o fator de segurança decresce bruscamente em 0,25 dias de rebaixamento, devido a poropressão elevada contida no núcleo, não ter tempo suficiente para drenar a água do material impermeável (núcleo), fazendo com que diminua o fator de segurança pelo método de Bishop e Morgesntern-Price. O método de Bishop com acréscimo de carga sísmica em regime normal de operação com 1,40, diminui para 1,11 em 0,25 dias e Mosgenstern-Price com abalo sísmico em condição normal do nível do reservatório de 1,40 para 1,17 em 0,25 dias. Já para o rebaixamento gradual do reservatório em 30 dias, obteve-se pelo método de Bishop um fator de segurança 1,58 e Morgenstern-Price 1,59.
Perante análise do rebaixamento rápido entre 0,25-30 dias, sob as mesmas condições do comportamento hidráulico com abalo sísmico, conforme citado anteriormente, as simulações sem acréscimo de carga sísmica, responderam da mesma forma. Através dos dados compilados no Gráfico 7, observa-se que o método de Bishop sem acréscimo de carga sísmica em regime normal de operação com 2,19 diminui para 1,38 em 0,25 dias e Mosgenstern-Price sem abalo sísmico em condição normal do nível do reservatório de 2,19 para 1,43 em 0,25 dias. Para o tempo de rebaixamento gradual em 30 dias, sem acréscimo de carga sísmica, para ambos os métodos se obteve um fator de segurança de 2,03.
O Quadro 26, apresenta para todas as simulações realizada, os fatores de segurança obtidos neste trabalho, em regime normal de operação da barragem, rebaixamento rápido e gradual e os valores mínimos dos fatores de segurança recomendados por Honório (2022) APUD ABNT (2017), para garantir a estabilidade do reservatório.
Quadro 26 – Resumo dos fatores de segurança. Regime normal de
operação (8,70 m)
FS admissível com carga sísmica
FS admissível sem carga sísmica
A
Talude de montante 1,1 1,5
Talude de jusante 1,1 1,3
Esvaziamento rápido e gradual de operação
FS admissível com carga sísmica
FS admissível sem carga sísmica
B
Talude de montante 1,1 1,3
Bishop Morgenstern-Price
Menor FS com carga sísmica
Menor FS sem carga sísmica
Menor FS com carga sísmica
Menor FS sem carga sísmica A
Montante - 1,38 2,17 1,39 2,17
Jusante - 1,37 1,69 1,38 1,69
Menor FS com carga sísmica
Menor FS sem carga sísmica
Menor FS com carga sísmica
Menor FS sem carga sísmica B
Montante - 1,11 1,38 1,17 1,43
Fonte: Elaboração própria.
O Quadro 26, registra o resultado dos fatores de segurança, obtidos durante as simulações dos taludes da barragem (montante e jusante), através dos métodos de Bishop e Morgenstern-Price. É observado que os fatores de segurança no talude de montante e jusante em regime normal de operação do reservatório, sem abalo sísmico, estão acima do admissível, 1,5 e 1,3. O mesmo é constatado sob a condição de abalo sísmico, no talude de montante e jusante, com valores acima do permitido de 1,1. Por fim, os resultados compilados na condição do esvaziamento rápido e gradual do reservatório, o fator de segurança no talude de montante sob acréscimo de tensões horizontais e verticais, estão acima do mínimo permitido de 1,1. O mesmo condicionou-se para a situação sem abalo sísmico, obtendo-se um valor acima do fator de segurança admissível, de 1,3.
Conclui-se que apesar de algumas irregularidades observadas durante o processo construtivo do barramento, a estabilidade dos taludes de montante e jusante, não comprometem a segurança da barragem, conforme análise comparativa entre os fatores de segurança mínimos admissíveis e os resultados obtidos.
5 Conclusões
Quanto ao processo construtivo da barragem, observou-se irregularidades quanto a forma de distribuição e altura das camadas e o método utilizado no processo de compactação com o conjunto scrap madal-trator. Perante as incertezas que podem ocorrer nesta etapa do processo construtivo, constatou-se que algumas surgências em áreas úmidas e excesso de infiltração, tais problemas constatados durante vistoria no local podem ter ocorrido, devido a não uniformidade do processo de compactação. Conforme a bibliografia consultada, ensaios prévios de compactação, deveriam ser realizados em laboratório para garantir a aderência dos materiais utilizados na construção do maciço, favorecendo quanto a eficácia dos resultados obtidos no comportamento hidráulico e mecânico.
Durante as análises realizadas através dos ensaios geotécnicos aplicados aos materiais utilizados na construção das regiões dos espaldares de montante, jusante e núcleo, estiveram dentro dos requisitos estabelecidos pelos Mattos, Silva e Pruski (2000); Costa (2012) e Cruz (1996), onde os materiais a serem utilizados na região do núcleo, devem possuir menos de 50%
de finos retido na peneira 200 e os materiais de pedregulho, devem ser utilizados nas regiões dos espaldares de montante e jusante. Constatou-se que as amostras coletadas em 1,5, 5, e 6 m da base (região do núcleo), apresentarem uma granulometria condizente com a dos autores (%
areia, % pedregulho, % finos), obtendo-se valores de 27,6%, 21,8% e 25,3% de areia e os materiais utilizados nos espaldares, com pedregulho bem graduado. As amostras da região do núcleo, constataram percentuais de 5,6%, 53,6% e 34,3% de pedregulho, porém, é observado na diferença destes percentuais uma predominância de solos finos, percebendo-se que os materiais utilizados no núcleo, atenderam a exigências mínimas dos materiais utilizados nesta região do maciço da barragem.
A classificação dos materiais, através da metodologia SUCS, concluiu-se que a predominância destes materiais entre a cota 1,5 e 6 m da base (núcleo), sendo silte elástico arenoso, pedregulho siltoso com areia e silte elástico pedregulhoso, responderam satisfatoriamente as exigências requeridas por Mattos, Silva e Pruski (2000), Costa (2012) e Cruz (1996).
Quanto as condições adequadas de textura, os materiais utilizados na região do núcleo, constituem-se de areia, silte e argila, uma orientação descrita por Cruz (1996) e Costa (2012), comprovada durante análises realizadas nos ensaios geotécnicos dos materiais utilizados na confecção do núcleo.
Verificou-se que os materiais do núcleo, possuem alta plasticidade, uma condição aferida durante os ensaios de (LL e LP), uma conformidade encontrada segundo orientações de Mattos, Silva e Pruski (2000) e Cruz 1996), satisfazendo o comportamento do núcleo impermeável da barragem.
Quanto aos resultados obtidos do coeficiente de permeabilidade (K), os ensaios realizados nos taludes de montante e jusante, resultaram em uma vazão baixa, na qual favoreceu na estabilidade dos taludes e uma possível carreação de materiais (transporte de solo através das zonas internas do maciço da barragem), através das linhas de fluxo, após o reservatório entrar em regime de operação.
Perante análise dos resultados, os valores de fator de segurança para os métodos de Morgenstern-Price e Bishop em condições normais de operação do reservatório, são semelhantes e ambas as superfícies de ruptura não atingem o núcleo. As superfícies críticas de ruptura, mostram que a estabilidade da barragem, está governada pelas propriedades geotécnicas dos materiais, devido aos pedregulhos utilizados nas regiões de montante e jusante do talude e, os solos finos que foram utilizados no núcleo impermeável. No entanto, os valores dos fatores de segurança obtidos através das simulações pelo método de Morgenstern-Price e Bishop com acréscimo de carga sísmica durante o rebaixamento do reservatório entre 0-30 dias, são maiores que o recomendado por Honório (2022) apud ABNT (2017), acima de 1,1 com solicitações sísmicas. Já para as condições sem acréscimo de carga sísmica, para o talude de montante, o menor fator segurança obtido foi de 2,17, sendo que entre os dois métodos, estiveram acima de 1,5. Para a região do talude de jusante, obteve-se um fator de segurança de 1,69 entre as simulações dos métodos, valores acima de 1,3 do mínimo permitido. Conclui-se para ambos os métodos sob condições de acréscimo de carga sísmica, ocasionaram maiores cargas horizontais e verticais, os mesmos atenderam os requisitos mínimos de 1,1, nos quais verificou-se um comportamento hidráulico e mecânico satisfatório quanto a estabilidade dos taludes da barragem.
Concluiu-se que no caso da necessidade de esvaziar o reservatório em condições de rebaixamento rápido, o seu esvaziamento pode ser realizado em 5 dias, sem comprometer a estabilidade da barragem. Sendo que entre 5-30 dias, o fator de segurança entre Bishop e Morgenstern-Price, mantiveram-se equilibrados acima do mínimo de 1,1 com abalo sísmico e sem carga sísmica acima de 1,3, com valores entre 1,58 e 2,02. Este esvaziamento programado, tende a reduzir os custos, comparados à um período de 30 dias, sob a condição de consumo de energia através de bombeamento elétrico, uso comum em atividades agrícolas.
Através das simulações realizadas no SEEP/W, pelo software GeoStudio, que os parâmetros de permeabilidade e as condições geotécnicas dos materiais que compõe o barramento, afetam diretamente o comportamento hidráulico nas regiões do núcleo e espaldares, tendo grande influência na estabilidade do talude da barragem.
Verificou-se que durante o regime permanente de operação, rebaixamento rápido e gradual do reservatório, o mesmo encontra-se em condições favoráveis de estabilidade do talude, quanto as superfícies críticas de ruptura. Os resultados obtidos das análises de montante e jusante, mostraram-se satisfatórios, assegurando que o talude da barragem não representa um risco de uma futura ruptura nos regimes do nível normal d’água e rebaixamento do reservatório.
Foi verificado através de um teste realizado durante as simulações do fator de segurança no software GeoStudio, que apesar da inclinação do talude de jusante estar com 1,98(H) e 1(V), uma solução favorável ao acréscimo do fator de segurança, seria a inclinação do talude ser 2,2(H) e 1(V). Uma solução prática, embora atribua um aumento no volume de material do barramento e consequentemente, eleve o custo do projeto, porém, uma decisão que visa garantir a estabilidade da barragem.
Quanto a erosão superficial do talude de montante, apesar da região do rip-rap não estar exposto sob uma ação de ventos predominantes em maior tempo durante o ano, conforme os autores Souza (2013), Cruz (1996) e Massad (2010), o diâmetro médio dos materiais do rip-rap, estão dentro do recomendado com 30 cm. Já a espessura dos materiais, encontrou-se um valor abaixo do recomendado, 45 cm. Concluiu-se, que futuramente irá ocorrer a movimentação do rip-rap durante ação das ondas, retirada do solo no talude de montante, resultando em erosões profundas atingindo a crista do reservatório, caso não seja feito um ajuste adequado.
Por fim, quanto ao potencial de risco, o mesmo respondeu ao requisito mínimo recomendado pela Ficha de Inspeção de Segurança de Barragens de Terra, fornecida pela ANA (2016). Perante as anomalias encontradas no barramento, obteve-se um valor de (PR) de 27,5, sendo identificado como classe “C”, estando dentro do normal, sem comprometer a segurança da barragem.
Durante este estudo de caso, que envolveu a construção de uma barragem de terra, obteve-se uma conclusão geral, sobre a garantia da estabilidade de um barramento, estar condicionada através da elaboração de um projeto base e o acompanhamento de um engenheiro responsável. Argumenta-se que esta decisão garante o investimento alto durante a construção da barragem, que poderá colapsar quando de utiliza apenas métodos corriqueiros, durante a execução da obra.
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